（高电压与绝缘技术专业论文）基于10kv+xlpe电缆的绝缘老化分析研究.pdf

中文摘要 交联聚乙烯( x l p e ) 电力电缆凭借其优异的热、机械特性和电气性能及易安 装维护、介质损耗低等优点，被广泛应用于城市配电网中。电缆运行过程中，在 水分和电场的共同作用下发生物理化学变化，形成水树枝。水树枝可进一步发展 成为电树枝，使电缆绝缘性能下降，引发放电事故，严重影响电网的可靠供电。 因此，考察电缆水树的生长过程及检测方法对保障电网安全运行具有重要的理论 意义和实用价值。 残留电荷法是一种适用于1 0k v - - - - 6 6k v 电压等级x l p e 电缆的水树枝检测 方法。该方法首先采用直流电压对电缆充电，使水树枝内积聚空间电荷；接地放 电后，极化电荷及表层电荷释放，仍存在水树枝内的空间电荷即为残留电荷；最 后，施加适当的电压使水树枝呈现非线性电阻特性，测量释放的残留电荷量，该 电荷量与水树老化程度具有较好的相关性，据此可判断x l p e 电缆的水树老化程 度。 本文采用老化时间分别为1 2 0 、2 4 0 、3 6 0 天的1 0k vx l p e 电缆为试样，基 于残留电荷法检测其水树老化程度，考察了直流电压幅值、直流加压时间、正负 直流高压、正反加压、接地放电时间对残留电荷量的影响，提出施加脉冲电压释 放残留电荷的新方法，并对脉冲频率、脉冲施加时间对残留电荷量的影响进行了 研究。结果表明，随着直流电压幅值的增加或直流电压施加时间的延长，残留电 荷量均逐渐增大并趋于饱和；施加负直流电压时的残留电荷量较施加正直流电压 时大。正向加压时电荷更容易注入进去；接地放电时间从2m i n 增加到1 0m i n 时，残留电荷量下降很小，表明接地放电时间对残留电荷量的影响较小。随着脉 冲频率从o 8k h z 增加到1 6k h z ，残留电荷量先增大后减小；随着脉冲施加时间 的增加，残留电荷量增加。 关键词：x l p e 电缆水树非线性特性脉冲式残留电荷法 a b s t r a c t x l p ec a b l e sa r ew i d e l yu s e di nu r b a nd i s t r i b u t i o ns y s t e md u et ot h e i re x c e l l e n t h e a t ，m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a l m a i n t e n a n c ea n dl o wd i e l e c t r i c p r o p e r t i e s ，a n dt h ea d v a n t a g e so fe a s yi n s t a l l a t i o n ， l o s s w a t e rn e em a yb ef o r m e di nt h ei n s u l a t i o nd u et o p h y s i c o c b e m i c a lc h a n g e sc a u s e db yt h ec o m b i n e de f f e c to fw a t e ra n di n t e n s ee l e c t r i c a lf i e l d a s o n ep r i m a r yk i n do fi n s u l a t i o nd e g r a d a t i o no fx l p ec a b l e ，w a t e rt r e em a yd e v e l o p i n t o e l e c t r i c a lt r e ew h i c hc a r lc a u s et h ed e c r e a s eo fi n s u l a t i o n p r o p e r t y o n c et h e e l e c t r i c a lt r e ef o r m s ，b r e a k d o w nm a yo c c u r , w h i c hs e v e r e l ya f f e c t st h er e l i a b i l i t yo f p o w e rs u p p l y t h e r e f o r e ，i th a sg r e a tt h e o r ya n da p p l i c a t i o nv a l u et oi n v e s t i g a t et h e g r o w i n gp r o c e s sa n dd i a g n o s i sm e t h o do fw a t e rt r e ef o rs e c u r eo p e r a t i o no fp o w e r s y s t e m r e s i d u a lc h a r g em e t h o di sw e l l k n o w nf o ri t se f f e c t i v e n e s si nt h ed i a g n o s i so f n o n b r i d g e dw a t e rt r e ed e t e r i o r a t i o nf o rx l p ec a b l ew i t hv o l t a g ec l a s s e sf r o m10k v t o6 6k v w h e nd i r e c tc u r r e n t ( d c ) v o l t a g ei sa p p l i e dt ow a t e rt r e ed e g r a d e dc a b l e ， s p a c ec h a r g e sw i l lb ef o r m e di nw a t e rt r e e a f t e rg r o u n d i n g ，p o l a r i z a t i o nc h a r g e sa n d s h a l l o wc h a r g e sw i l lb er e l e a s e d t h es p a c ec h a r g e ss t i l le x i s t i n gi nw a t e rt r e ea r e c a l l e dr e s i d u a lc h a r g e t h ea m o u n to fr e s i d u a lc h a r g e ，a sa ni n d i c a t o ro fd e g r a d a t i o n d e g r e e ，i sd e t e c t e dw h e na l t e r n a t i v ec u r r e n t ( a c ) v o l t a g eo rp u l s ev o l t a g ei sb e i n g a p p l i e dt ot h ec h a r g e dc a b l e b a s eo nr e s i d u a lc h a r g em e t h o d ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ew a t e r t r e ed e g r a d a t i o n d e g r e eo f10k vx l p ec a b l es a m p l e sw i t ht h ea c c e l e r a t e da g i n gt i m ef o r1 2 0d a y s ， 2 4 0d a y sa n d3 6 0d a y s ，r e s p e c t i v e l y a l s o ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e wm e t h o do f a p p l y i n gp u l s ev o l t a g et or e l e a s er e s i d u a lc h a r g e s ，a n ds t u d i e st h ee f f e c t so fd c v o l t a g ea m p l i t u d e ，d cv o l t a g ea p p l i c a t i o nt i m e ，p o s i t i v e n e g a t i v ed cv o l t a g e ， d i r e c t 。r e v e r s e l yv o l t a g ea p p l i c a t i o n ，g r o u n d i n gt i m e ，t h ef r e q u e n c ya n dt h ea p p l i c a t i o n t i m eo fp u l s ev o l t a g eo nt h ea m o u n to fr e s i d u a lc h a r g e t h ea c c u m u l a t e dr e s u l t ss h o w t h a ta st h ea m p l i t u d ea n dt h ea p p l i c a t i o nt i m eo fd c v o l t a g ei n c r e a s e ，t h ea m o u n to f r e s i d u a lc h a r g ei n c r e a s e sa n da p p r o a c h e sas a t u r a t e dv a l u e ；t h ea m o u n to fr e s i d u a l c h a r g ew h e nn e g a t i v ed cv o l t a g ei sa p p l i e di s b i g g e rt h a nt h a tw h e np o s i t i v ed c v o l t a g ei sa p p l i e d ；w h e nd cv o l t a g ei sd i r e c t l ya p p l i e d ，c h a r g e sc a r lb ei n j e c t e di n t o w a t e rt r e em o r ee a s i l y t h ea m o u n to fr e s i d u a lc h a r g ed e c r e a s e s s l i g h t l ya sg r o u n d i n g t i m ei n c r e a s e sf r o m2r a i nt o10r a i n ，w h i c hm e a n st h a tt h eg r o u n d i n gt i m eh a sl i t t l e e f f e c to nt h ea m o u n to fr e s i d u a lc h a r g e a sf o rt h ee f f e c to fp u l s ev o l t a g eo nt h e a m o u n to fr e s i d u a lc h a r g e 。a st h ep u l s ef r e q u e n c yi n c r e a s e sf r o m0 8k h zt o1 6k h z ， t h ea m o u n to fr e s i d u a lc h a r g ef i r m l yi n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e s ，a n da p p r o a c h e st h e m a x i u mv a l u ea ta b o u t1 2k h z ；a st h ea p p l i c a t i o nt i m eo fp u l s ev o l t a g ei n c r e a s e s ，t h e a m o u n to fr e s i d u a lc h a r g ei n c r e a s e s k e yw o r d s ：x l p ec a b l e ，w a t e rt r e e ，n o n l i n e a rp r o p e r t y , p u l s e d - t y p er e s i d u a l c h a r g em e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一魏癣硌姘期： 沙夕 ， 学位论文版权使用授权书 年石月9 日 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：加r 刃年 导师签名： 勃二 签字日期：及p 年月p 日 臼蟛 日 产午红阳 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 城市电网电缆化程度是衡量城市电网技术水平的重要标志，亦是促进城市文 明化进程迅速向前迈进、改善城市生活环境的必要手段。最近三十年来，国内外 电力电缆各项技术迅速发展，特别是三层共挤生产工艺制造x l p e 电缆技术的发 展，使得x l p e 电缆与充油电缆相比，有不需要供油设备、防火性能好、安装维 护简单和机械电气性能好等优良性能f l 捌，被越来越多的国家所采用。目前国内 上海、北京等大城市敷设的电缆几乎都是x l p e 电缆。国内电网2 0 0 7 年1 0k v x l p e 电缆使用量达到4 0 0 0 0k m ，推算各行业使用量达到12 0 0 0 0k m 3 1 ，高压电 缆中仅北京地区共有2 2 0k v 电缆线路6 4 路1 6 4 1k m ，11 0k v 电缆线路5 6 5 路 6 4 7 4k m ，国外以日本为例，2 2k v 等级及以上电缆中，x l p e 电缆占电缆敷设 总量的7 0 以上，且有逐年增加的趋势1 4 j 。另外，高压x l p e 电缆的价格非常昂 贵，一次性投资费用比较大，电缆线路不易变动和分支。 x l p e 电缆由于绝缘层微孔、气泡和半导电层突起等局部缺陷的存在，在水 分和电场的共同作用下，绝缘层内容易引发水树枝，水树枝生长到一定程度在电 场和周围环境条件的作用下会迅速转变为电树枝，形成放电而加速绝缘老化，以 至于在运行过程中发生绝缘击纠5 1 。近年来，随着城市现代化的发展，机组容量 的不断增加，电力电缆在城网供电中所占的份额加重，在一些城市的市区逐步以 敷设电缆取代架空输电线路；同时随着电缆数量的增多及运行时间的延长，以前 敷设的x l p e 电缆的老化故障频繁，造成绝缘击穿事故，甚至引起部分电网停电， 给生产和人民生活带来中断和诸多不便，造成重大的经济损失。据统计，由水树 枝老化造成x l p e 电缆的绝缘击穿事故呈逐年上升趋势，水树枝已成为电力电缆 安全运行的重大隐剧6 ，。 国内城网1 3 5k v 系统中，地下使用的普通x l p e 电缆，普遍在运行8 至1 2 年生长出大量水树，致使大量x l p e 电缆发生因水树击穿造成的事故，寿命短， 影响电网的安全运行。另外，国内电网广大用户对潮湿环境中电缆水树生长的影 响、电缆水树击穿的机理和水树检测的重要性认知度不够，因此中压x l p e 电缆 运行寿命短和水树击穿事故率高。目前，对于x l p e 电缆的水树老化检测，国内 外已提出了多种方法，主要有：直流分量法、直流叠加法、交流叠加法、低频叠 天津大学硕士学位论文第一章绪论 加法、介质损耗法和在线局部放电法等，且已经开发了相应的检测装置。这些方 法中，各种方法各有优缺点，都不能很好地反映电缆绝缘的水树老化状态【8 】。近 年来把水树作为老化诊断对象的离线诊断方法有由三菱电线工业电线系统部和 东京电力技术开发研究所等共同提出的残留电荷法1 4 】。残留电荷法能够克服上述 方法的缺点，残留电荷量与水树老化程度有良好的相关性，不易受到现场交流噪 声的影响，对于1 0 - 6 6k vx l p e 电缆来说，是一种有效的检测方法。 基于上述原因，采用残留电荷法对可导致电缆绝缘事故的水树进行早期检 测，发现引发事故的潜在原因，并采取相应的措施，防止事故的发生，可减少经 济损失，保证人民的生命财产安全，具有重大的安全意义和经济价值。 1 2 电力电缆发展史 1 2 1 国外电力电缆发展史 自1 8 9 0 年v i n c e n td ef e n a n t i 制造出著名的1 0k v 同轴电缆以来，地下电缆 得到了广泛应用，电压等级也不断提高。如果从爱迪生把电线埋入地下进行输电 算起，电力电缆主要经过以下几个发展阶段： 1 8 7 9 年爱迪生制成电力电缆敷设在纽约( 直流) 1 8 9 3 年美国研制成油浸纸绝缘电缆 1 9 1 3 年德国研制成屏蔽型( h 型) 电缆 1 9 1 4 年英国研制成分相铅包型( s l 型) 电缆 1 9 1 7 年意大利发明充油( o f 型) 电缆 1 9 3 2 年意大利敷设2 2 0k vo f 型电缆 1 9 5 7 年法国生产5 0 0k vo f 型电缆 1 9 8 0 年意大利敷设1 1 0 0k vo f 型电缆 1 9 6 0 年日本研制成x l p e 电缆 1 9 6 1 年日本研制成3 5k v x l p e 电缆 1 9 6 2 年意大利研制成乙丙橡胶电缆 1 9 6 9 年法国研制成2 2 5k v 低密度聚乙烯( l d p e ) 电缆 1 9 7 0 年美国研制成1 3 2k vx l p e 电缆 1 9 8 1 年美国研制成3 4 5k vx l p e 电缆 法国研制成4 0 0k vl d p e 电缆 德国研制成4 0 0k vl d p e 电缆 一 1 9 8 5 年日本研制成5 0 0k vx l p e 电缆 天津大学硕士学位论文第一章绪论 一 其它：1 9 3 2 年英国开发6 6k v 充气电缆( n 2 ) 1 9 7 2 年日本开发充气电缆( s f 6 ) 1 9 9 8 年丹麦研制了超导电缆 _ 日本研制成功5 0 0m 高温超导体电缆0 0 1 2 2 我国电力电缆发展史 在我国，自1 9 5 1 年国产6 k v 油浸纸绝缘电力电缆问世以来，不到2 0 年，我国 第一条2 2 0k vo f 电缆就投入运行，而到1 9 8 2 年，o f 电缆的电压等级已发展n s o o k v 。我国x l p e 电力电缆的制造和推广应用起步较晚，1 9 7 0 年我国正式投产l o 3 5 k vx l p e 电缆，1 9 8 5 年广州、南京等城市首先引进11 0k vx l p e 电力电缆以后， 相继在发电厂、变电站和抽水蓄能电厂引进2 2 0 、3 3 0 、5 0 0k vx l p e 电力电缆。 1 9 9 0 年第一条国产11 0k vx l p e 电力电缆线路在首钢投入运行，1 9 9 6 年国产2 2 0 k vx l p e 电力电缆通过技术鉴定，并于2 0 0 0 年中期通过长期老化试验和产品鉴 定，逐步推广应用。2 0 0 2 年，国内已有电缆公司试制成功铜芯1x 25 0 0m m ，2 9 0 5 0 0k vx l p e 电缆，样品长度5 0 0m 。2 0 0 4 年，我国三相交流3 3 5m 长3 5k v 2k a 高温超导电缆在昆明普吉变电站挂网试运行成功。2 0 0 5 年9 月，我国云英超导电 缆公司的3 5k vh t s 电缆通过了评估测试。 1 2 3 我国电力电缆发展趋势 从2 0 0 0 - - - - 2 0 0 5 年，我国在电力网络方面的总投资已经超过了6 0 0 亿美元，其 中3 7 0 亿美元被用于城市和乡村地区的建设，2 3 0 亿美元被用于跨地区的网络建 设，且中压1 0 一- 3 5k v 电缆应用量以1 0 速度增加【】。大城市双环网供电，市中 心地区地下电缆化率提高，这些都大大增加了中压电缆的使用量。目前全国城市 平均地下电缆化率仅1 0 ，而各城市目标往往确定在5 0 - - - 8 0 左右，这给中压 配电电缆带来较大的发展机遇。 x l p e 电缆是中压电缆的主流，在今后的产品发展上应注意到下列倾向： ( 1 ) 大截面电缆得到大量应用。考虑城市今后l o 1 5 年甚至更长时间的发展， 供电部门目前选用时尽可能放大截面。 ( 2 ) 目前中压电缆大都采用三芯电缆，该电缆在分支时会带来困难；国外大 多采用3 个单芯大节距绞合方法，既方便敷设，尽量少占用地下空间，又给分支 供电了创造条件【1 2 1 。 ( 3 ) 11 0k v 以上高压电缆系统建设仍以x l p e 电缆为主【1 3 】。 随着中国电力的快速发展，电网建设在我国依然是一项艰巨的任务。适应电 网发展以及传输容量增加的要求，不仅在数量上需要更多的电缆，同时也需要更 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 高电压等级的电缆。因此，在未来的3 - - 5 年，中国电缆工业和系统将会快速提升 和发展。 随着电力负荷的增加，电压等级的提高，以及人们安全环保意识的提高，电 力电缆的相关技术也在不断更新，包括：超高压、特高压电缆，超导电缆，特高 压直流电缆，电缆绝缘新材料，电缆绝缘厚度的减薄，外护套无卤化，终端无油 化，电缆绝缘寿命评估，高压电缆在线监测及检测技术等。这些新技术的不断进 步，对电力电缆的安全运行、保障供电可靠性、减少环境污染、降低制造和运行 成本等方面具有重大意义。 1 3 电力电缆分类及其特点 在国外，2 0 世纪初己经开始使用电缆。我国在建国后特别从七十年代开始， 电缆的使用量迅猛增长。目前使用的3 5k v 以下电压等级电力电缆主要有橡皮绝 缘电力电缆、聚氯乙烯绝缘电力电缆、油浸纸绝缘电力电缆、x l p e 电力电缆； 3 5k v 以上电力电缆主要有o f 电力电缆、x l p e 电力电缆、s f 6 气体绝缘电力电缆、 超导电缆等 1 4 , 1 5 】。 1 橡皮绝缘电力电缆 橡皮绝缘电力电缆的绝缘材料是普通的合成橡胶或乙丙橡胶等，普通的合成 橡胶耐臭氧能力差，在电晕的作用下容易发生开裂，击穿场强较低，一般只用于 低压配电系统，也可用于定期移动的固定敷设线路。当被用于直流电力系统时， 电缆的工作电压可以是交流电压的两倍。 2 聚氯乙烯电力电缆 聚氯乙烯电力电缆简称p v c 电缆，主要用于6 6 、6 1 0k v 及以下中低压等级 系统中，在1k v 配电线路中应用最多，p v c 电缆有单芯、二芯、三芯、四芯及多 芯多种，加工简单、成本低、耐腐蚀、化学稳定性好，但这种材料的介质损耗大、 耐热性差、击穿场强低。因而，使用场合也受到限制。 3 油浸纸绝缘电力电缆 油浸纸绝缘电力电缆分为普通黏性油浸纸电缆和不滴流油浸纸电缆，前者分 为带绝缘电缆和分相铅包电缆，是由纤维纸和浸渍剂组成的复合绝缘电缆，这种 电缆在生产和运输过程中难免会产生气隙，绝缘强度较低，因此只能用于低压配 电系统。1 0k v 及以下多芯电缆常共用一个金属护套，2 0 3 5k v 电缆每个线芯都 有金属护套。 4 高压充油电力电缆 高压充油电力电缆利用补充浸渍油的原理来消除绝缘层中的气隙以提高电 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 缆工作场强。按照其保护层的结构不同分为两类：一类是自容式充油电缆，一类 是钢管充油式电缆。自容式充油电缆有单芯和三芯两种结构，单芯电缆电压等级 为1 l o 7 5 0k v ，三芯电缆电压等级一般为3 5 l1 0k v 。钢管式充油电缆一般为 三芯结构，多用于高电压等级，钢管为电缆的护层。充油电缆虽然有较好的运行 特点，但其运行维护工作量大，安装不方便，目前正在逐渐被淘汰。 5 x l p e 电力电缆 从7 0 年代开始，x l p e 作为电缆的绝缘层得到了广泛应用，国外高压电缆的 电压等级已经发展n 5 0 0k v ，而且已在线路上应用。我国则从8 0 年代开始大规模 引进x l p e 电力电缆生产线，产品的电压等级也在逐步提高。6 6 - l1 0k vx l p e 电缆于1 9 9 1 年在沈阳进行了首批鉴定，并在沈阳电缆厂和上海电缆厂批量生产 1 1 6 。目前国内己形成了一个生产高压x l p e 电缆热，加上从国外引进的产品，极 大地促进了我国城市电网的建设和改造。 x l p e 电力电缆由于其合理的工艺和结构，耐酸碱、耐腐蚀能力较强，安装 敷设简单，运行维护工作量少，不存在油的淌流问题，优良的电气性能、热性能 和机械性能，安全可靠的运行特点，附属设备较少，在一定防护条件下无火灾危 险，比充油电缆有较大的优越性，目前国内外已经把它作为主要的发展对象。国 内，不仅3 5 k v 电缆开始普遍采用x l p e 电缆，l1 0k v 及2 2 0k vx l p e 电缆也逐渐 取代电缆，使高压电能通过高压电缆地下输电方式输入至城市负荷中心，为我国 x l p e 电缆技术的发展与大规模生产也带来了良好的机遇。国外如日本已经开始 研发7 5 0k v 电缆，俄罗斯的2 2 0k v 电缆已经稳定运行了十年，我国也开始使用2 2 0 k vx l p e 电力电缆，一些5 0 0k vx l p e 电力电缆项目己在招标和敷设之中【l 】。 6 一些新型的电力电缆 随着科学技术的发展和大容量、远距离输电的要求，一些新型结构的电力电 缆还在不断出现，如阻燃电力电缆和超导电缆等。 阻燃电力电缆与对应的塑料电力电缆的结构基本相同，所不同的是在电缆绝 缘或护层及填充物中添加阻燃剂，或者用能阻燃的绝缘材料等，即使电缆在明火 烧烤下，电缆也不会燃烧。 超导电缆，由于采用超导体，具有载流能力大、损耗低和体积小等优点，是 解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。有研究表明，高温超导电缆的传输损 耗仅为常规电缆传输损耗的5 0 ，而且在相同规格下，传输容量可提高3 , - - , 5 倍 【r 7 1 。文献【1 8 】中基于电磁场交流损失计算结果分析了高温超导电缆的运行可靠 性，该方法可以用于设计高温超导系统并评估高温超导系统在额定工况下是否能 稳定运行。目前超导电缆存在的问题是提高超导体临界温度。 今后，期待开发出轻型和低损耗电缆、电缆敷设和接头安装的自动化技术、 天津大学硕士学位论文第一章绪论 对环境友好型电缆( 完全可循环利用型) 、信息型电缆( 可跟踪敷设位置和老化 状况的智能电缆) 等产品和技术。 虽然电缆的形式多种多样，但由于x l p e 电力电缆有着极佳的性能，国内外 采用的电缆仍以x l p e 电缆为主。 1 4 电力电缆试验技术 1 4 1 各种常规试验项目 电缆试验是电力电缆安全运行的根本保障。电缆试验按试验方式可分为在线 试验和离线试验两类，按试验性质可分为耐压试验( 破坏性试验) 和检查性试验 ( 非破坏性试验) 两类。对于在线试验，以x l p e 电缆为例，目前得到认可的 方法包括介质损耗法、交流叠加法、低频叠加法、谐波分量法、场致发光法、局 部放电监测和光纤测温等。所谓检查性试验指的是在较低电压下，通过测定电缆 绝缘某些方面的特性，以间接判断绝缘状况，主要包括绝缘电阻试验、介质损耗 角正切值试验等。所谓耐压试验指的是现场模拟在运行中可能出现的各种电压， 对绝缘施加与之等价的或者更为严峻的电压，考验绝缘的耐受能力，主要包括直 流耐压试验、交流耐压试验、局部放电试验等1 1 9 , 2 0 l 。尽管对于上述测量量间的等 效性、有效性和可靠性，国际学术界的意见分歧较大，但必须承认电缆试验技术 的飞速发展为电缆安全运行提供了有力的保障。 但是，为每一段敷设的电缆都安装在线监测设备是不经济的，更是不现实的， 故现场中更依赖于交接试验和预防性试验。 1 绝缘电阻试验 绝缘电阻试验是电缆的基本试验项目之一，是反应电缆绝缘性能最基本最重 要的指标，通过测量绝缘电阻可发现电缆的下列缺陷： ( 1 ) 绝缘介质的受潮情况； ( 2 ) 是否由某种原因形成导电通道； ( 3 ) 绝缘的变化情况。 绝缘电阻的测量方法主要包括直流比较法和高阻计法。 通过测量绝缘电阻无法发现的缺陷为： ( 1 ) 未贯穿的集中性缺陷； ( 2 ) 绝缘整体老化。 2 介质损耗角正切值试验 任何绝缘介质在电压作用下，都有能量损耗，电力电缆中的绝缘介质也不例 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 外。如果介质损耗很大，会使介质温度升得很高，促使电介质热老化，以致发生 绝缘热击穿，因此介质的损耗大小是衡量绝缘介质电性能的一个重要指标。 通常，在直流电压下可用泄漏电流的大小来反映电介质的损耗，而在交流电 压下，介质损耗不能单用泄漏电流来表示，要用p 代表所有的介质损耗，通常用 介质损耗角的正切值来表示。由于橡塑电力电缆不推广直流耐压试验，因此介质 损耗测量尤为重要。 在交流电压下，电力电缆的等效电路可由r c 串联或r c 并联电路来表示。 介质损耗角正切值t a n 万是反映电力电缆绝缘介质性能的一个重要指标，它直接 反映了绝缘介质损耗的大小，t a n 万值越小越好。 测量电缆介质损耗角正切值的方法主要有西林电桥法、电流比较型电桥、全 数字化测量仪等。 3 直流耐压试验 g b 5 0 5l o _ _ 2 0 0 6 及d l 厂r 5 9 6 19 9 6 标准中规定了电力电缆交接试验和预防 性试验的规程和标准。直流耐压试验是一种破坏性实验，试验前应对电力电缆进 行绝缘电阻、泄漏电流等非破坏性实验，若试验结果正常，方能进行直流耐压试 验，若发现电缆的绝缘状况有问题，通常应先进行处理后再做直流耐压试验。直 流耐压试验设备较其他型式的耐压试验设备相比，具有体积小、重量轻、便于携 带、可靠性高和操作简单等优点。 4 交流耐压试验 由于电力电缆是在工频交流下运行，所以交流耐压试验才是鉴定电气设备绝 缘强度最直接的方法，它是判断电气设备能否出厂，能否运行，以避免发生绝缘 事故最有效的手段。在现场，由于电缆一般比较长，等效电容量比较大，要求交 流耐压试验设备的容量较大，试验起来很不方便，因此，在中高压系统使用油浸 纸电缆的年代，现场几乎都是进行直流耐压试验，与交流耐压试验具有同等效果。 当今，橡塑电缆已基本取代了油浸纸介质电缆，直流耐压试验已不再是橡塑电力 电缆现场耐压试验方法的首选。 由于交流耐压试验也是破坏性试验，因此在试验前必须先对电力电缆进行非 破坏性试验，若试验结果正常方能进行交流耐压试验。若试验前发现电缆的绝缘 状况有问题，通常应先进行处理后再做交流耐压试验。 电力电缆交流耐压试验方法包括直接法、电感补偿法、工频串联谐振方法、 变频串联谐振试验方法、超低频试验方法和振荡波试验方法等。近几年来，国际 大电网会议( c l g r e ) 积极推荐采用串联谐振、o 1h z 超低频和振荡波试验方法代 替传统的工频耐压试验方法。 5 局部放电试验 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 通过局部放电试验，可对电缆中的各种缺陷( 如绝缘中的微孔、徼裂纹、机 械损伤等) 有着较准确的认识。研究表明，局部放电波形特征与各种缺陷类型有 着较好的相关性，为电力电缆潜在绝缘缺陷类型的识别奠定了理论基础。此外， 广泛采用的基于行波反射原理的局部放电定位方法，使现场的电缆潜在缺陷( 或 薄弱点) 定位成为可能。正由于局部放电试验存在上述优点，国际大电网会议 ( c i g r e ) 积极推荐采用工频交流耐压试验和局部放电试验结合的方法综合判断 电缆绝缘状态。德国柏林的b e w a g 4 0 0k vx l p e 电缆系统，敷设后即采取了交 流耐压并结合对接头和终端进行局部放电测量的试验方法，取得了良好的效果。 在我国，现场实施电力电缆局部放电测量及定位试验的单位较少，缺乏运行 经验。欲进行电缆局放试验，必须对电缆局部放电的起因、发展过程、测量方法 和定位规则有一个深入的、审慎的了解；对目前国际上广泛采用的试验方法，局 部放电测量设备的性能和特点有一个全面的掌握；对国内外已实施局放试验的现 场经验有一个全面的认识。 1 4 2 常规试验项目的优缺点及比较 1 直流耐压试验的优缺点 ( 1 ) 油浸纸绝缘电缆采用直流耐压试验的优缺点 油浸纸绝缘电力电缆，除了制造厂在进行例行试验时采用交流耐压外，安 装和运行单位对电缆线路进行交接试验和预防性试验或故障修复后试验，都采用 直流耐压试验，因为直流耐压试验具有下列优点： 1 ) 对电缆作直流耐压时一般以半波整流获得试验电压，并应用多倍压整流技 术，故可用体积容量较小的试验设备，获得对较长电缆线路进行直流耐压试验的 电压。 2 ) 交流耐压试验时有可能引起绝缘空气中产生游离放电，而导致绝缘的永久 性损坏，采用直流耐压则可避免这种情况发生。 3 ) 直流耐压试验时，可同时测量泄漏电流，根据泄漏电流的数值及其随时间 的变化情况，或泄漏电流和试验电压的关系判断电缆的绝缘状况。 4 ) 电缆直流耐压试验，按规程规定采用负极性接线，即将导体接负极。这种 接法的好处是如果纸绝缘已经受潮，由于水带正电，在直流电压下有明显电渗现 象，会使水分子从表层移向导体，从而使泄漏电流增大，甚至形成贯穿性通道， 有利于暴露纸绝缘的局部受潮缺陷。 5 ) 直流耐压试验加压时间较短，这是因为直流击穿电压与加压时间关系不 大，如有缺陷，一般在直流电压下几分钟内就可被发现，无需长时间加压。 ( 2 ) x l p e 电缆采用直流耐压试验的缺点 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 ) 直流电压下，电缆绝缘的电场分布取决于材料的体积电阻率，而交流电压 下的电场分布取决于各介质的介电常数，特别是在电缆终端头、接头盒等电缆附 件中的直流电场强度的分布和交流电场强度的分布完全不同，而且直流电压下绝 缘老化机理和交流电压下的老化机理不相同。因此，直流耐压试验不能模拟x l p e 电缆的运行工况。 2 ) 电缆在直流电压下会产生“记忆效应”，存储单极性残余电荷，这种电荷需 要很长时间才能释放。电缆如果在电荷未完全释放之前投人运行，直流偏压叠加 在工频电压上，使得电缆上的电压值远远超过其额定电压，可能导致绝缘击穿。 3 ) 直流耐压试验时，会有电子注入到聚合物介质内部，形成空间电荷，使该 处的电场强度降低从而难于发生击穿。x l p e 电缆的半导体凸起处和污秽点等处 容易产生空间电荷，但如果在试验中，电缆终端头发生表面闪络或电缆附件击穿， 会在电缆芯线上产生振荡波，在已积聚空间电荷的点，由于振荡电压极性迅速改 变为异极性，使该点处电场强度显著增大，可能损坏绝缘，造成多点击穿。 4 ) x l p e 电缆的一个致命弱点是绝缘层内易产生水树枝，一旦产生水树枝， 在直流电压下会迅速转变为电树枝，并形成放电，加速了绝缘老化，以致于运行 后在工频电压作用下发生击穿。而单纯水树枝在交流工作电压下还能承受相当的 耐压值并能保持一段时间。 2 交流耐压试验的优缺点 交流工频耐压试验是鉴定电气设备绝缘强度最有效和最直接的方法。通过这 项试验，可以发现绝缘介质缺陷，可以鉴定电气设备的介电强度，评价电气设备 的绝缘水平，避免电气设备事故的发生。因此，它广泛应用在电气设备出厂试验 中，作为鉴别产品质量不可缺少的一个重要手段。 工频耐压试验由于试验状况接近电缆的运行工况，耐压电压值较低，而且耐 压时间适当加长，更能反映电缆绝缘的状况以及发现绝缘中的缺陷。因此，国内 外权威机构大力推荐对x l p e 电缆绝缘实施交流耐压试验。但该试验不能检测出 绝缘的老化情况以及缺陷种类，并且随着电力发展的需要，电缆电压等级越来越 高，如何减少工频耐压试验设备的容量和体积是面临的一个难题。 1 5 电力电缆供电的优缺点 我国城市电网改造工作经过几年努力之后，目前已见成效，初步调整了长期 困扰我国电力系统的供电、输电和配电三者之间的比例关系，电力系统布局逐渐 趋于合理化。从发展的眼光看，城市电网改造工作具有两个鲜明的特点：一是城 网供电方式环网化，二是输配电网络电缆化。由于输电线路电缆化具有许多优点， 天津大学硕士学位论文第章绪论 我国一些大中小城市对于这种电网模式己经日趋认可并行动起来，供电系统电缆 化在我国将很有发展前景。 与传统的架空线供电相比，电缆供电有一系列优点，大体可归纳为以下几点 【2 0 】： ( 1 ) 削弱自然环境条件的影响和避免外力直接破坏，送电可靠性提高。 ( 2 ) 减少人身触电事故。 ( 3 ) 节省占地面积，美化市容。 ( 4 ) 有利于提高城网的功率因数。电缆芯线与其外面的接地屏蔽层构成一个 电容器，这就相当于每相加进无功补偿电容器。 ( 5 ) 维护工作量减轻和保密性强。 与此同时，电缆化供电也存在不足之处【2 0 】： ( 1 ) 投资费用较大。 ( 2 ) 线路不易变更。 ( 3 ) 故障点的寻测和修复比较困难。 ( 4 ) 电缆附件( 中间接头、终端) 的绝缘强度、防水密封、安装工艺要求高。 1 9 9 2 年联合国环境与发展大会确定了可持续发展的当代人类发展主题。电 力工业的发展方式也将发生重大改变【2 1 1 。根据以上对电缆供电和高架线供电的优 缺点的分析，电缆取代传统架空线路可以做到小型化、无油化、低损耗、低噪音、 自动化、智能化、高可靠性和环保性，为可持续发展做出一定的贡献。随着科学 技术和工艺流程的进一步发展，电缆的使用费用高昂也将逐步得到改善，维护和 检测技术也会进一步得到提高。 1 6 电力电缆故障统计 电力电缆和其他电气设备一样在运行过程中会由于各种各样的原因而发生 一些突发性的故障，为电力系统的安全运行、国民经济生产、人民生活带来重大 影响。但是，电力电缆的故障不是一下发展起来的，而是长期绝缘老化的结果， 最终导致绝缘击穿【2 2 】。下面，国外以日本和国内以天津为例，介绍一下电缆的故 障情况。 1 6 1 日本电力电缆故障统计 日本有关部门曾对1 9 6 3 年到1 9 7 9 年的6 6k v 电压等级x l p e 电缆的事故原 因，进行了调查分析。1 9 7 0 年以前敷设的电缆，发生的事故较多；接头和终端的 故障总体来说较为均匀，概率也较低。从使用年数来看，运行了8 年之后的电缆 天津大学硕士学位论文第一章绪论 事故和更换件数激增。从事故的种类来看，水树、自然老化和浸水已经占总事故 比例的5 0 。在考虑x l p e 电缆寿命时，把终端、接头不良这类早期故障和外力 破坏事故等排除，就可以认为现场绝缘诊断应以水树枝老化为主【9 1 。 1 6 2 我国天津地区电缆故障统计 以天津市中低压电缆故障为例，统计1 0k v 和3 5k v 电缆的主要故障部位。 对于3 5k v 电缆，其故障部位分布如表1 1 所示。从表中可以看出，电缆绝 缘本体故障所占比例最大，接下来依次是户外终端和户内终端故障。故障原因如 表1 - 2 所示。其中，机械破坏( 3 1 9 1 ) 、绝缘老化( 1 9 1 5 ) 、外力隐患( 1 0 6 4 ) 所引发的故障为已知原因中最严重的。此外，由于绝缘缺陷及不明原因引发的故 障高达3 0 9 2 。 对于1 0k v 电缆，其故障分布情况及原因分别如表1 3 、表l - 4 所示。 从以上分析可以看出，电缆本体的安全性是电缆安全运行的最重要保障。此 外，电缆附件的运行状况也对电缆的安全运行影响巨大。 表1 13 5k v 电缆故障部位分布表 由 司接头户内终端户外终端 部本 5热冷预过 5热 冷 预5热 冷 预 0缩缩制渡5缩缩 制5缩缩制 位体 9接接接接8 户户户 8户户户 型头头头头 型内内内型外 外 外 数 量 3 2321 l8 比 例6 8 0 96 44 2 62 1 32 1 31 7 0 2 表1 - 23 5k v 电缆本体故障原因分析统计表 制 施 过 机绝铅 过 外 绝缘 造工械缘包力缺陷 电缆种类负电 质 质 荷 破老腐隐不明 量 量 坏 化蚀 压 患原因 交联电缆 8l24 油纸电缆l78l 比例3 1 23 1 9 11 9 1 54 2 61 0 6 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 31 0k v 电缆故障部位分布表 中间接头户内终端户外终端 单本 2热 冷 预过n热 冷 预w热 冷 预油 0 缩 缩制渡t缩 缩制 d缩 缩 制 纸 位体 6接接接接n户芦 户 系户户户热 型头头头头型内内内列 外 外 外 缩 城 东 1 2 0l 4 ll2 城 南 1 0 9 2511 城 西 9 23l l1l 其 他 5 825 口 3 7 962 21ll2 71 计 比 例9 0 2 46 90 4 82 1 4 表l - 41 0k v 电缆本体故障原因分析统计表 单制造施工过负外绝缘铅包过电外力绝缘用户 位质量质量荷力老化腐蚀压隐患缺陷其它 城 东 l9 362 0 城 南 7 21 22 5 城 西 5 22 3 7 l 其 他 5 8 a 口 l 2 7 52 08 2l 计 比例6 5 4 5 4 7 61 9 0 1 7 本文研究内容 本文详细调研了目前国内外x l p e 电缆绝缘层水树老化研究现状，总结了各 种水树检测方法的原理及优缺点；基于残留电荷法和水树的双层绝缘模型，采用 天津大学硕士学位论文第一章绪论 仿真方法对残留电荷的响应速度进行了考察：基于脉冲式残留电荷法，搭建了实 验系统，对直流电压幅值和施加时间、接地放电时间、正负直流高压、正反加压、 脉冲频率和施加时间以及水树老化程度不同的电缆试样对残留电荷量的影响进 行了考察。结果表明，脉冲式残留电荷法能够较好地鉴别x l p e 电缆的水树枝老 化程度。 天津大学硕士学位论文第二章